Fault Tolerant DC–DC Converters at Homes and Offices

The emergence of direct current (DC) microgrids within the context of residential buildings and offices brings in a whole new paradigm in energy distribution. As a result, a set of technical challenges arise, concerning the adoption of efficient, cost-effective, and reliable DC-compatible power conditioning solutions, suitable to interface DC microgrids and energy consuming elements. This thesis encompasses the development of DC–DC power conversion solutions, featuring improved availability and efficiency, suitable to meet the requirements of a comprehensive set of end-uses commonly found in homes and offices. Based on the energy consumption profiles and requirements of the typical elements found at homes and offices, three distinctive groups are established: light-emitting diode (LED) lighting, electric vehicle (EV) charging, and general appliances. For each group, a careful evaluation of the criteria to fulfil is performed, based on which at least one DC–DC power converter is selected and investigated. Totally, a set of five DC–DC converter topologies are addressed in this work, being specific aspects related to fault diagnosis and/or fault tolerance analysed with particular detail in two of them. Firstly, mathematical models are described for LED devices and EV batteries, for the development of a theoretical analysis of the systems’ operation through computational simulations. Based on a compilation of requirements to account for in each end-use (LED lighting, EV charging, and general appliances), brief design considerations are drawn for each converter topology, regarding their architecture and control strategy. Aiming a detailed understanding of the two DC–DC power conversion systems subjected to thorough evaluation in this work – interleaved boost converter and fault-tolerant single-inductor multiple-output (SIMO) converter – under both normal and abnormal conditions, the operation of the systems is evaluated in the presence of open-circuit (OC) faults. Parameters of interest are monitored and evaluated to understand how the failures impact the operation of the entire system. At this stage, valuable information is obtained for the development of fault diagnosis strategies. Taking profit of the data collected in the analysis, a novel fault diagnostic strategy is presented, targeting interleaved DC–DC boost converters for general appliances. Ease of implementation, fast diagnostic and robustness against false alarms distinguish the proposed approach over the state-of-the-art. Its effectiveness is confirmed through a set of operation scenarios, implemented in both simulation environment and experimental context. Finally, an extensive set of reconfiguration strategies is presented and evaluated, aiming to grant fault tolerance capability to the multiple DC–DC converter topologies under analysis. A hybrid reconfiguration approach is developed for the interleaved boost converter. It is demonstrated that the combination of reconfiguration strategies promotes remarkable improvements on the post-fault operation of the converter. In addition, an alternative SIMO converter architecture, featuring inherent tolerance against OC faults, is presented and described. To exploit the OC fault tolerance capability of the fault-tolerant SIMO converter, a converter topology targeted at residential LED lighting systems, two alternative reconfiguration strategies are presented and evaluated in detail. Results obtained from computational simulations and experimental tests confirm the effectiveness of the approaches. To further improve the fault-tolerant SIMO converter with regards to its robustness against sensor faults, while simplifying its hardware architecture, a sensorless current control strategy is presented. The proposed control strategy is evaluated resorting to computational simulations.O surgimento de micro-redes em corrente contínua (CC) em edifícios residenciais e de escritórios estabelece um novo paradigma no domínio da distribuição de energia. Como consequência disso, surge uma panóplia de desafios técnicos ligados à adopção de soluções de conversão de energia, compatíveis com CC, que demonstrem ser eficientes, rentáveis e fiáveis, capazes de estabelecer a interface entre micro-redes em CC e as cargas alimentadas por esse sistema de energia. Até aos dias de hoje, os conversores CC–CC têm vindo a ser maioritariamente utilizados em aplicações de nicho, que geralmente envolvem níveis de potência reduzidos. Porém, as perspectivas futuras apontam para a adopção, em larga escala, destas tecnologias de conversão de energia, também em equipamentos eléctricos residenciais e de escritórios. Tal como qualquer outra tecnologia de conversão electrónica de potência, os conversores CC–CC podem ver o seu funcionamento afectado por falhas que degradam o seu bom funcionamento, sendo que essas falhas acabam por afectar não apenas os conversores em si, mas também as cargas que alimentam, limitando assim o tempo de vida útil do conjunto conversor + carga. Desta forma, é fulcral localizar a origem da falha, para que possam ser adoptadas acções correctivas, capazes de limitar as consequências nefastas associadas à falha. Para responder a este desafio, esta tese contempla o desenvolvimento de soluções de conversão de energia CC–CC altamente eficientes e fiáveis, capazes de responder a requisitos impostos por um conjunto alargado de equipamentos frequentemente encontrados em habitações e escritórios. Com base nos perfis de consumo de energia eléctrica e nos requisitos impostos pelas cargas tipicamente utilizadas em habitações e escritórios, são estabelecidos três grupos distintos: iluminação através de díodos emissores de luz, carregamento de veículo eléctrico (VE) e aparelhos eléctricos em geral. Para cada grupo, é efectuada uma avaliação cuidadosa dos critérios a respeitar, sendo com base nesses critérios que será escolhida e investigada pelo menos uma topologia de conversor CC–CC. No total, são abordadas cinco topologias de conversores CC–CC distintas, sendo que os aspectos ligados ao diagnóstico de avarias e/ou tolerância a falhas são analisados com particular detalhe em duas dessas topologias. Inicialmente, são estabelecidos modelos matemáticos descritivos do comportamento das principais cargas consideradas no estudo – díodos emissores de luz e baterias de VEs – visando a análise teórica do funcionamento dos sistemas em estudo, suportada por simulações computacionais. Com base numa compilação de requisitos a ter em conta em cada aplicação – iluminação através de díodos emissores de luz, carregamento de veículo eléctrico (VE) e aparelhos eléctricos em geral – são estabelecidas considerações ligadas à escolha de cada topologia de conversor não isolado, no que respeita à sua arquitectura e estratégia de controlo. Visando o conhecimento aprofundado das duas topologias de conversor CC–CC alvo de particular enfoque neste trabalho – conversor entrelaçado elevador e conversor de entrada única e múltiplas saídas, tolerante a falhas – quer em funcionamento normal, quer em funcionamento em modo de falha, é avaliado o funcionamento de ambas as topologias na presença de falhas de circuito aberto nos semicondutores activos. Para o efeito, são monitorizados e analisados parâmetros úteis à percepção da forma como os modos de falha avaliados neste trabalho impactam o funcionamento de todo o sistema. Nesta fase, é obtida informação fundamental ao desenvolvimento de estratégias de diagnóstico de avarias, particularmente indicadas para avarias de circuito aberto nos semicondutores activos dos conversores em estudo. Com base na informação recolhida anteriormente, é apresentada uma nova estratégia de diagnóstico de avarias direccionada a conversores CC–CC elevadores entrelaçados utilizados em aparelhos eléctricos, em geral. Facilidade de implementação, rapidez e robustez contra falsos positivos são algumas das características que distinguem a estratégia proposta em relação ao estado da arte. A sua efectividade é confirmada com recurso a uma multiplicidade de cenários de funcionamento, implementados quer em ambiente de simulação, quer em contexto experimental. Por fim, é apresentada e avaliada uma gama alargada de estratégias de reconfiguração, que visam assegurar a tolerância a falhas das diversas topologias de conversores CC–CC em estudo. É desenvolvida uma estratégia de reconfiguração híbrida, direccionada ao conversor entrelaçado elevador, que combina múltiplas medidas de reconfiguração mais simples num único procedimento. Demonstra-se que a combinação de múltiplas estratégias de reconfiguração introduz melhorias substanciais no funcionamento do conversor ao longo do período pós-falha, ao mesmo tempo que assegura a manutenção da qualidade da energia à entrada e saída do conversor reconfigurado. Noutra frente, é apresentada e descrita uma arquitectura alternativa do conversor de entrada única e múltiplas saídas, com tolerância a falhas de circuito aberto. Através da configuração proposta, é possível manter o fornecimento de energia eléctrica a todas as saídas do conversor. Para tirar máximo proveito da tolerância a falhas do conversor de entrada única e múltiplas saídas, uma topologia de conversor indicada para sistemas residenciais de iluminação baseados em díodos emissores de luz, são apresentadas e avaliadas duas estratégias de reconfiguração do conversor, exclusivamente baseadas na adaptação do controlo aplicado ao conversor. Os resultados de simulação computacional e os resultados experimentais obtidos confirmam a efectividade das abordagens adoptadas, através da melhoria da qualidade da energia eléctrica fornecida às diversas saídas do conversor. São assim asseguradas condições essenciais ao funcionamento ininterrupto e estável dos sistemas de iluminação, já que a qualidade da energia eléctrica fornecida aos sistemas de iluminação tem impacto directo na qualidade da luz produzida. Por fim, e para aprimorar o conversor de entrada única e múltiplas saídas tolerante a falhas, no que respeita à sua robustez contra falhas em sensores, é apresentada uma estratégia de controlo de corrente que evita o recurso excessivo a sensores e, ao mesmo tempo, simplifica a estrutura de controlo do conversor. A estratégia apresentada é avaliada através de simulações computacionais. A abordagem apresentada assume vantagens em múltiplos domínios, sendo de destacar vantagens como a melhoria da fiabilidade de todo o sistema de iluminação (conversor + carga), os ganhos atingidos ao nível do rendimento, a redução do custo de implementação da solução, ou a simplificação da estrutura de controlo.This work was supported by the Portuguese Foundation for Science and Technology (FCT) under grant number SFRH/BD/131002/2017, co-funded by the Ministry of Science, Technology and Higher Education (MCTES), by the European Social Fund (FSE) through the ‘Programa Operacional Regional Centro’ (POR-Centro), and by the Human Capital Operational Programme (POCH)

COVID-19 symptoms at hospital admission vary with age and sex: results from the ISARIC prospective multinational observational study

Background: The ISARIC prospective multinational observational study is the largest cohort of hospitalized patients with COVID-19. We present relationships of age, sex, and nationality to presenting symptoms. Methods: International, prospective observational study of 60 109 hospitalized symptomatic patients with laboratory-confirmed COVID-19 recruited from 43 countries between 30 January and 3 August 2020. Logistic regression was performed to evaluate relationships of age and sex to published COVID-19 case definitions and the most commonly reported symptoms. Results: ‘Typical’ symptoms of fever (69%), cough (68%) and shortness of breath (66%) were the most commonly reported. 92% of patients experienced at least one of these. Prevalence of typical symptoms was greatest in 30- to 60-year-olds (respectively 80, 79, 69%; at least one 95%). They were reported less frequently in children (≤ 18 years: 69, 48, 23; 85%), older adults (≥ 70 years: 61, 62, 65; 90%), and women (66, 66, 64; 90%; vs. men 71, 70, 67; 93%, each P < 0.001). The most common atypical presentations under 60 years of age were nausea and vomiting and abdominal pain, and over 60 years was confusion. Regression models showed significant differences in symptoms with sex, age and country. Interpretation: This international collaboration has allowed us to report reliable symptom data from the largest cohort of patients admitted to hospital with COVID-19. Adults over 60 and children admitted to hospital with COVID-19 are less likely to present with typical symptoms. Nausea and vomiting are common atypical presentations under 30 years. Confusion is a frequent atypical presentation of COVID-19 in adults over 60 years. Women are less likely to experience typical symptoms than men

Fault Tolerant DC-DC Converters

Technology advancement verified in recent times is flagrant, specially in our home appliances. This advancement brought to us new electronic equipment and other DC-compatible appliances with improved capability for energy management, using electronic converters for such purpose. These loads have in common the fact that, at a certain point, they need to transform the AC energy of the grid to DC. Furthermore, an important increase in the distributed generation of energy has been witnessed. The majority of these systems produce energy in DC. These two statements, combined with the increased pressure related to the need of energy efficient systems, will certainly trigger, in a near future, the adoption of district-scale DC grids that connect DC generation plants and consumers, in an effort to reduce the number of conversion steps required to deliver power to a DC appliance and, at the same time, limit power losses arising from the energy transportation using conventional AC grids. In a future where DC grids will be used, several DC voltage levels will be required to allow the connection of the different load profiles that require DC. The inclusion of DC-DC converters will allow the creation of these voltage levels. The reliability of such converters plays a key role, as it ensures service continuity for the DC loads connected to them and, at the same time, preserve the quality of the energy delivered by these converters. With the reliability levels increase as a goal, this work uses an open-circuit fault-diagnostic method suitable for several DC-DC converter topologies. After detecting an open-circuit fault in any of the converter power switches, the control of the converter is re-adapted in order to minimize the adverse impacts of an open-circuit fault, namely the increase of the current ripple. To verify the effectiveness of these strategies, laboratory tests were conducted, using a three-phase interleaved boost converter prototype connected to a resistive load.O avanço da tecnologia verificado nos últimos tempos é notório, sobretudo nas cargas utilizadas em nossas casas. Esse avanço trouxe até às nossas habitações novos equipamentos eletrónicos e outras cargas compatíveis com DC, que fazem uma gestão mais eficiente da energia, recorrendo a conversores eletrónicos de potência para esse efeito. Estas cargas têm como denominador comum o facto de necessitarem, em determinado ponto, de retificar para DC a energia AC absorvida da rede elétrica. Por outro lado, assistiu-se ao crescimento significativo do número de sistemas de microgeração de energia. A grande maioria destes sistemas produz energia DC. Estas duas constatações, aliadas à crescente pressão relacionada com a necessidade de sistemas eficientes em termos energéticos, levarão a que, num futuro próximo, redes DC à escala de bairros sejam implementadas, permitindo assim a ligação de instalações de micro-geração a cargas DC, dentro do mesmo bairro, como uma forma de reduzir o número de passos de conversão de energia, bem como as perdas no transporte dessa energia através de redes AC convencionais. Num futuro em que redes DC serão utilizadas, é essencial a criação de vários níveis de tensão que permitam a ligação dos diferentes tipos de cargas alimentadas a partir de DC. Apenas os conversores eletrónicos DC-DC permitem produzir os diferentes níveis de tensão necessários. A fiabilidade desses conversores torna-se, por isso, num fator de importância extrema na continuidade do fornecimento de energia às cargas a eles ligadas e, ao mesmo tempo, na manutenção da qualidade da energia entregue por parte desses conversores a essas mesmas cargas. Com o aumento da fiabilidade destes conversores em mente, este trabalho aplica uma forma de deteção de falhas por circuito aberto nos semicondutores de potência, aplicável em diversas topologias de conversores DC-DC. Após a deteção de uma falha de circuito aberto em qualquer um dos IGBTs do conversor, são realizadas ações de reconfiguração, que não são do mais que alterações no controlo do conversor que permitirão reduzir os impactos dessa falha, como por exemplo o aumento do ripple na corrente. De forma a verificar a efetividade destes métodos, foram efetuados ensaios experimentais, recorrendo a um protótipo do interleaved DC-DC boost converter de três fases, ligado a uma carga resistiva

Resumos em andamento - Ciências Biológicas

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Resumos concluídos - Ciências Biológicas

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"Ciência de potes quebrados": nação e região na arqueologia brasileira do século XIX

The paper explores distinct expectations created in different places and institutions with the archaeological discoveries taken place in Brazilian territory in the second half of 19th century. By means of a case study about the professional trajectory of Domingos Soares Ferreira Penna (1818-1888), founder of Museu Paraense in 1866 and traveling naturalist of Brazilian Museu Nacional between 1872 and 1884, the present article reconstructs the origins of scientific debates and disputes over the Amazonian archaeological heritage, in great evidence at that time, due to discoveries of pre-historic sites at Marajó Island, in the State of Pará. The intention is to demonstrate how the discourse about national identity, broadly used by the director of the Brazilian Museu Nacional, Ladislau de Souza Mello Netto (1838-1894), overshadowed political divergence and had little repercussion among Brazilian provinces that were building, at the time, their respective regional identities and historical narratives - to which archaeological evidences were equally fundamental